OpenGL/OpenGL ES入门： GLKit使用以及案例

冷不防 2022-10-01 10:56 166阅读 0赞

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## GLKit简介 ##

**`GLKit`** 框架的设计目标是为了简化基于`OpenGL/OpenGL ES`的应用开发。它的出现加快`OpenGL`或`OpenGL ES`应用程序开发。 使用数学库，背景纹理加载，预先创建的着色器效果，以及标准视图和视图控制器来实现渲染循环。

**`GLKit`** 框架提供了功能和类，可以减少创建新的基于着色器的应用程序所需的工作量，或支持依赖早期版本的`OpenGL`或`OpenGL ES`提供的固定函数顶点或片段处理的现有应用程序。

`GLKView`提供绘制场所（`view`）  
`GLKViewController`扩展于标准的`UIKit`设计模式，用于绘制视图内容的管理与呈现  
**苹果弃用`OpenGL ES`，但iOS开发者可以继续使用。**

## 案例一： 图片渲染 ##

第一个案例，我们创建一个继承`GLKViewController`的类，并导入`#import <GLKit/GLKit.h>`头文件，`.h`文件如下

#import <UIKit/UIKit.h>
    #import <GLKit/GLKit.h>
    
    @interface ViewController : GLKViewController
    
    @end
    复制代码

`.m`文件导入下面两个文件`#import <OpenGLES/ES3/gl.h>`、`#import <OpenGLES/ES3/glext.h>`

下面看具体步骤：

### 初始化上下文&设置当前上下文 ###

// 1.初始化上下文&设置当前上下文
        _context = [[EAGLContext alloc]initWithAPI:kEAGLRenderingAPIOpenGLES3];
        if (!_context) {
            NSLog(@"Create ES context Failed");
        }
        
        // 设置当前上下文
        [EAGLContext setCurrentContext:_context];
        // 2.获取GLKView & 设置context
        GLKView *view = [[GLKView alloc]initWithFrame:self.view.bounds context:_context];
        view.backgroundColor = [UIColor clearColor];
        view.delegate = self;
        [self.view addSubview:view];
    复制代码

在初始化`context`时，我们需要选择我们使用的`OpenGL ES`的版本，分别有如下几种：

kEAGLRenderingAPIOpenGLES1 = 1, 固定管线
         kEAGLRenderingAPIOpenGLES2 = 2,
         kEAGLRenderingAPIOpenGLES3 = 3,
    复制代码

`EAGLContext`是苹果iOS平台下实现`OpenGL ES`渲染层。其中`kEAGLRenderingAPIOpenGLES1`类似前几篇文章说的固定管线。而`kEAGLRenderingAPIOpenGLES2`和`kEAGLRenderingAPIOpenGLES3`，在这里使用哪个，区别不大，只是版本不同而已。

下面需要配置视图创建的渲染缓冲区，以及设置背景颜色

view.drawableColorFormat = GLKViewDrawableColorFormatRGBA8888;
        view.drawableDepthFormat = GLKViewDrawableDepthFormat24;
        glClearColor(1, 1, 1, 1);
    复制代码

> **`drawableColorFormat`**: 颜色缓冲区格式  
> 在`OpenGL ES`中有一个缓存区，它用以存储在屏幕中显示的颜色。你可以使用其属性设置缓冲区中的每个像素的颜色格式。  
> `GLKViewDrawableColorFormatRGBA8888` = 0  
> 默认值，缓冲区的每个像素的最小组成部分(RGBA)使用8个bit，(所以每个像素4个字节， 4\*8个bit)  
> `GLKViewDrawableColorFormatRGB565`  
> 如果你的APP允许更小范围的颜色，即可设置这个。会让你的APP消耗更小的资源(内存和处理时间)

> **`drawableDepthFormat`**: 深度缓存区格式
> 
> `GLKViewDrawableDepthFormatNone` = 0, 意味着完全没有深度缓冲区  
> `GLKViewDrawableDepthFormat16`,  
> `GLKViewDrawableDepthFormat24`,  
> 如果你要使用这个属性（一般用于3D游戏），你应该选择`GLKViewDrawableDepthFormat16`或`GLKViewDrawableDepthFormat24`。这里的差别是使用`GLKViewDrawableDepthFormat16`将消耗更少的资源

### 加载纹理数据(使用`GLBaseEffect`) ###

使用本地图片作为纹理，代码如下：

//1.获取纹理图片路径
        NSString *filePath = [[NSBundle mainBundle]pathForResource:@"kunkun" ofType:@"jpg"];
        
        //2.设置纹理参数
        NSDictionary *options = [NSDictionary dictionaryWithObjectsAndKeys:@(1),GLKTextureLoaderOriginBottomLeft, nil];    
        GLKTextureInfo *textureInfo = [GLKTextureLoader textureWithContentsOfFile:filePath options:options error:nil];
        
        //3.使用苹果GLKit 提供GLKBaseEffect 完成着色器工作(顶点/片元)
        cEffect = [[GLKBaseEffect alloc]init];
        cEffect.texture2d0.enabled = GL_TRUE;
        cEffect.texture2d0.name = textureInfo.name;
    复制代码

在设置纹理参数的时，需要注意一点，纹理坐标默认左下角为原点(0,0)，而iOS坐标系中，默认手机屏幕的左上角为原点(0,0)，所以需要特别注意这一点，需要设置`GLKTextureLoaderOriginBottomLeft`，不然图片显示的时候，会发生翻转。

### 加载顶点&纹理数据 ###

先看代码

// 设置顶点数组
        GLfloat vertexData[] = {
            1, -0.5, 0.0f,    1.0f, 0.0f, //右下
            1, 0.5, -0.0f,    1.0f, 1.0f, //右上
            -1, 0.5, 0.0f,    0.0f, 1.0f, //左上
            
            1, -0.5, 0.0f,    1.0f, 0.0f, //右下
            -1, 0.5, 0.0f,    0.0f, 1.0f, //左上
            -1, -0.5, 0.0f,   0.0f, 0.0f, //左下
        };
        
        // 开辟顶点缓存区
        // 1.创建顶点缓存区标识符ID
        GLuint bufferID;
        glGenBuffers(1, &bufferID);
        // 2.绑定顶点缓存区.(明确作用)
        glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, bufferID);
        // 3.将顶点数组的数据copy到顶点缓存区中(GPU显存中)
        glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertexData), vertexData, GL_STATIC_DRAW);
        
        // 顶点坐标数据
        glEnableVertexAttribArray(GLKVertexAttribPosition);
        glVertexAttribPointer(GLKVertexAttribPosition, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat) * 5, (GLfloat *)NULL + 0);
        
        // 纹理坐标数据
        glEnableVertexAttribArray(GLKVertexAttribTexCoord0);
        glVertexAttribPointer(GLKVertexAttribTexCoord0, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat) * 5, (GLfloat *)NULL + 3);
    复制代码

这个案例中，我们把顶点坐标、纹理坐标放在数组中，后面说的案例则使用了联合体的方式存放，主要是为了让大家认识不同方式而已。 也可以把顶点坐标和纹理坐标分开写到不同的数组中，但是为了简化代码量，所以选择放在一起写。

顶点数组，开发者可以选择设定函数指针，在调用绘制方法的时候，直接由内存传入顶点数据，也就是说这部分数据之前是存储在内存中的。而后面要做的是开辟顶点缓冲区，主要目的是为了追求性能更高，提前分配一块显存，将顶点数据预先传入到显存中，而关于顶点相关的计算都是在GPU中进行的，所以这样性能有了很大的提高。

> **注意点：**  
> 在iOS中，默认情况下，出于性能考虑，所有顶点着色器的属性(`Attribute`)变量都是关闭的，意味着，顶点数据在着色器（服务端）是不可用的。即使你已经使用`glBufferData`方法，将顶点数据从内存拷贝到顶点缓冲区中(GPU显存中); 所以，必须由`glEnableVertexAttribArray`方法打开通道，指定访问属性，才能让顶点着色器能够访问到从CPU复制到GPU的数据。  
> **注意：**  
> 数据在GPU端是否可见，即着色器能否读取到数据，由是否启用了对应的属性决定，这就是`glEnableVertexAttribArray`的功能，允许顶点着色器读取GPU（服务端）数据。  
> GLKVertexAttribPosition, // 顶点  
> GLKVertexAttribNormal, // 法线  
> GLKVertexAttribColor, // 颜色  
> GLKVertexAttribTexCoord0, // 纹理  
> GLKVertexAttribTexCoord1

方法`glVertexAttribPointer`表示上传顶点数据到显存的方法，即设置合适的方式从`buffer`里读取数据。

> 参数1: 指定要修改的属性的索引值  
> 参数2: 每次读取数量(如`position`是由3个（x,y,z）组成，而颜色是4个（r,g,b,a）,纹理则是2个.)  
> 参数3: 指定数组中每个组件的数据类型。可用的符号常量有`GL_BYTE`, `GL_UNSIGNED_BYTE`, `GL_SHORT`, `GL_UNSIGNED_SHORT`, `GL_FIXED`, 和 `GL_FLOAT`，初始值为`GL_FLOAT`。  
> 参数4: 指定当被访问时，固定点数据值是否应该被归一化（`GL_TRUE`）或者直接转换为固定点值（`GL_FALSE`）  
> 参数5: 指定连续顶点属性之间的偏移量。如果为0，那么顶点属性会被理解为：它们是紧密排列在一起的。初始值为0  
> 参数6: 指定一个指针，指向数组中第一个顶点属性的第一个组件。初始值为0

上述代码中，对于顶点来说，每次读取3个，数据类型为浮点型，偏移量即读取下一组顶点数据，需要移动5个位置，顶点读取位置对应从数组的一开始读取，所以最后一个参数写成`(GLfloat *)NULL + 0`，这里这样的写法是为了方便读者理解，也可以直接写成`NULL`。所以对于纹理的最后一个参数写成`(GLfloat *)NULL + 3`也不难理解。

### 绘制视图的内容 ###

`GLKView`对象使`OpenGL ES`上下文成为当前上下文，并将其`framebuffer`绑定为`OpenGL ES`呈现命令的目标。然后，委托方法应该绘制视图的内容。看下面代码

- (void)glkView:(GLKView *)view drawInRect:(CGRect)rect {
        //1.清除颜色缓存区
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
        
        //2.准备绘制
        [cEffect prepareToDraw];
        
        //3.开始绘制
        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6);
        
    }
    复制代码

OK，案例一就这么多内容，下面看实现效果（其实就是我们平时用`UIImageView`加载一张图片而已）

## 案例二 绘制立方体 ##

案例二中，我们不再创建继承`GLKViewController`的类，而是直接在`ViewController`中写代码，直接在`.m`文件中导入`#import <GLKit/GLKit.h>`头文件。

然后声明一些需要的属性：

typedef struct {
        GLKVector3 positionCoord;       // 顶点坐标
        GLKVector2 textureCoord;        // 纹理坐标
        GLKVector3 normal;              // 法线坐标
    } ZBVertex;
    // 顶点个数
    static NSInteger const KCoordCount = 36;
    
    @interface ViewController () <GLKViewDelegate>
    
    @property (nonatomic, strong) GLKView *glkView;
    @property (nonatomic, strong) GLKBaseEffect *baseEffect;
    @property (nonatomic, assign) ZBVertex *vertices;
    
    // 计时器
    @property (nonatomic, strong) CADisplayLink *displayLink;
    // 弧度
    @property (nonatomic, assign) NSInteger angle;
    // 顶点缓存区标识符ID
    @property (nonatomic, assign) GLuint vertexBuffer;
    
    @end
    复制代码

### 初始化上下文&设置当前上下文 ###

// 1.创建context
        EAGLContext *context = [[EAGLContext alloc]initWithAPI:kEAGLRenderingAPIOpenGLES3];
        [EAGLContext setCurrentContext:context];
        
        // 2.创建GLKView并设置代理
        CGRect frame = CGRectMake(0, 100, self.view.frame.size.width, self.view.frame.size.width);
        self.glkView = [[GLKView alloc]initWithFrame:frame context:context];
        self.glkView.backgroundColor = [UIColor redColor];
        self.glkView.delegate = self;
        
        // 3. 使用深度缓冲区
        self.glkView.drawableDepthFormat = GLKViewDrawableDepthFormat24;
        self.glkView.drawableColorFormat = GLKViewDrawableColorFormatRGBA8888;
        
        // 默认为（0，1），这里用于翻转z轴，是正方形朝屏幕外
    //    glDepthRangef(1, 0);
        
        [self.view addSubview:self.glkView];
        
        NSString *imagePath = [[[NSBundle mainBundle] resourcePath] stringByAppendingPathComponent:@"timg.jpeg"];
        UIImage *image = [UIImage imageWithContentsOfFile:imagePath];
        NSDictionary *options = @{GLKTextureLoaderOriginBottomLeft : @(YES)};
        GLKTextureInfo *textureInfo = [GLKTextureLoader textureWithCGImage:[image CGImage] options:options error:nil];
        
        // 使用苹果GLKit提供GLKBaseEffect完成着色器工作（顶点/片元）
        self.baseEffect = [[GLKBaseEffect alloc]init];
        self.baseEffect.texture2d0.name = textureInfo.name;
        self.baseEffect.texture2d0.target = textureInfo.target;
    复制代码

上面初始化代码和案例一中的几乎是一样的，同时把加载纹理数据的代码也放在了这里，所以这里不再多说。

### 加载顶点&纹理数据 ###

// 开辟顶点数据空间（数据结构SenceVertex 大小 * 顶点个数kCoordCount）
        self.vertices = malloc(sizeof(ZBVertex) * KCoordCount);
        
        // 前面
        self.vertices[0] = (ZBVertex){
        {-0.5, 0.5, 0.5},  {0, 1}};
        self.vertices[1] = (ZBVertex){
        {-0.5, -0.5, 0.5}, {0, 0}};
        self.vertices[2] = (ZBVertex){
        {0.5, 0.5, 0.5},   {1, 1}};
        
        self.vertices[3] = (ZBVertex){
        {-0.5, -0.5, 0.5}, {0, 0}};
        self.vertices[4] = (ZBVertex){
        {0.5, 0.5, 0.5},   {1, 1}};
        self.vertices[5] = (ZBVertex){
        {0.5, -0.5, 0.5},  {1, 0}};
        
        // 上面
        self.vertices[6] = (ZBVertex){
        {0.5, 0.5, 0.5},    {1, 1}};
        self.vertices[7] = (ZBVertex){
        {-0.5, 0.5, 0.5},   {0, 1}};
        self.vertices[8] = (ZBVertex){
        {0.5, 0.5, -0.5},   {1, 0}};
        self.vertices[9] = (ZBVertex){
        {-0.5, 0.5, 0.5},   {0, 1}};
        self.vertices[10] = (ZBVertex){
        {0.5, 0.5, -0.5},  {1, 0}};
        self.vertices[11] = (ZBVertex){
        {-0.5, 0.5, -0.5}, {0, 0}};
        
        // 下面
        self.vertices[12] = (ZBVertex){
        {0.5, -0.5, 0.5},    {1, 1}};
        self.vertices[13] = (ZBVertex){
        {-0.5, -0.5, 0.5},   {0, 1}};
        self.vertices[14] = (ZBVertex){
        {0.5, -0.5, -0.5},   {1, 0}};
        self.vertices[15] = (ZBVertex){
        {-0.5, -0.5, 0.5},   {0, 1}};
        self.vertices[16] = (ZBVertex){
        {0.5, -0.5, -0.5},   {1, 0}};
        self.vertices[17] = (ZBVertex){
        {-0.5, -0.5, -0.5},  {0, 0}};
        
        // 左面
        self.vertices[18] = (ZBVertex){
        {-0.5, 0.5, 0.5},    {1, 1}};
        self.vertices[19] = (ZBVertex){
        {-0.5, -0.5, 0.5},   {0, 1}};
        self.vertices[20] = (ZBVertex){
        {-0.5, 0.5, -0.5},   {1, 0}};
        self.vertices[21] = (ZBVertex){
        {-0.5, -0.5, 0.5},   {0, 1}};
        self.vertices[22] = (ZBVertex){
        {-0.5, 0.5, -0.5},   {1, 0}};
        self.vertices[23] = (ZBVertex){
        {-0.5, -0.5, -0.5},  {0, 0}};
        
        // 右面
        self.vertices[24] = (ZBVertex){
        {0.5, 0.5, 0.5},    {1, 1}};
        self.vertices[25] = (ZBVertex){
        {0.5, -0.5, 0.5},   {0, 1}};
        self.vertices[26] = (ZBVertex){
        {0.5, 0.5, -0.5},   {1, 0}};
        self.vertices[27] = (ZBVertex){
        {0.5, -0.5, 0.5},   {0, 1}};
        self.vertices[28] = (ZBVertex){
        {0.5, 0.5, -0.5},   {1, 0}};
        self.vertices[29] = (ZBVertex){
        {0.5, -0.5, -0.5},  {0, 0}};
        
        // 后面
        self.vertices[30] = (ZBVertex){
        {-0.5, 0.5, -0.5},   {0, 1}};
        self.vertices[31] = (ZBVertex){
        {-0.5, -0.5, -0.5},  {0, 0}};
        self.vertices[32] = (ZBVertex){
        {0.5, 0.5, -0.5},    {1, 1}};
        self.vertices[33] = (ZBVertex){
        {-0.5, -0.5, -0.5},  {0, 0}};
        self.vertices[34] = (ZBVertex){
        {0.5, 0.5, -0.5},    {1, 1}};
        self.vertices[35] = (ZBVertex){
        {0.5, -0.5, -0.5},   {1, 0}};
        
        // 开辟顶点缓存区
        glGenBuffers(1, &_vertexBuffer);
        glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, _vertexBuffer);
        glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(ZBVertex) * KCoordCount, self.vertices, GL_STATIC_DRAW);
        
        // 顶点数据
        glEnableVertexAttribArray(GLKVertexAttribPosition);
        glVertexAttribPointer(GLKVertexAttribPosition, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(ZBVertex), NULL + offsetof(ZBVertex, positionCoord));
        
        // 纹理数据
        glEnableVertexAttribArray(GLKVertexAttribTexCoord0);
        glVertexAttribPointer(GLKVertexAttribTexCoord0, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(ZBVertex), NULL + offsetof(ZBVertex, textureCoord));
    复制代码

咔咔咔，这么一大串，基本上都是在设置顶点坐标和纹理坐标，这里使用了联合体存放数据，一开始就开辟了相应的空间`self.vertices = malloc(sizeof(ZBVertex) * KCoordCount);`，后面代码也和案例一一样。

### 创建一个循环 ###

self.angle = 0;
        self.displayLink = [CADisplayLink displayLinkWithTarget:self selector:@selector(reDisplay)];
        [self.displayLink addToRunLoop:[NSRunLoop mainRunLoop] forMode:NSRunLoopCommonModes];
    复制代码

上面代码创建了一个循环，来执行方法`reDisplay`。`CADisplayLink`类似定时器，提供一个周期性调用，属于`QuartzCore.framework`中。  
具体可以参考该博客[www.cnblogs.com/panyangjun/…][www.cnblogs.com_panyangjun]

- (void)reDisplay {
        // 计算旋转度数
        self.angle = (self.angle + 1) % 360;
        // 修改baseEffect.transform.modelviewMatrix
        self.baseEffect.transform.modelviewMatrix = GLKMatrix4MakeRotation(GLKMathDegreesToRadians(self.angle), 0.3, 1, -0.7);
        // 重新渲染
        [self.glkView display];
    }
    复制代码

### dealloc ###

- (void)dealloc {
        if ([EAGLContext currentContext] == self.glkView.context) {
            [EAGLContext setCurrentContext:nil];
        }
        if (_vertices) {
            free(_vertices);
            _vertexBuffer = 0;
        }
        //displayLink 失效
        [self.displayLink invalidate];
    }
    复制代码

最终效果：

转载于:https://juejin.im/post/5cf68ed26fb9a07ede0b30b7

[OpenGL_OpenGL ES_API]: https://juejin.im/post/5cd9816f6fb9a032297b1e1a
[OpenGL_OpenGL ES]: https://juejin.im/post/5cdae5486fb9a0323e3ade57
[OpenGL_OpenGL ES 1]: https://juejin.im/post/5cdd7f0de51d453b44023729
[OpenGL_OpenGL ES_ -]: https://juejin.im/post/5ce129a95188256a220236a0
[OpenGL_OpenGL ES_ - _API]: https://juejin.im/post/5cea3a44e51d455d6d53578e
[OpenGL_OpenGL ES_ _ -]: https://juejin.im/post/5cea8f5bf265da1b76387e02
[OpenGL_OpenGL ES_ _OpenGL_OpenGL ES]: https://juejin.im/post/5cf3d29ff265da1b667bc3d0
[OpenGL_OpenGL ES_ GLKit_API]: https://juejin.im/post/5cf692e66fb9a07ead59e846
[OpenGL_OpenGL ES_ GLKit]: https://juejin.im/post/5cf68ed26fb9a07ede0b30b7
[www.cnblogs.com_panyangjun]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fwww.cnblogs.com%2Fpanyangjun%2Fp%2F4421904.html